ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1 Оптические волокна

Оптические волокно (ОВ) представляет собой двухслойную, как

правило, цилиндрическую структуру в виде сердцевины, заключенной в

оболочку (рис. 1.1). По материалу сердцевина– оболочка выделяют

следующие группы волоконных световодов: кварц–кварц, кварц–полимер,

полимер-полимер.

В настоящее время на сетях связи наиболее широко используются

кварцевые волокна, которые, по сравнению с полимерными, обладают

существенно меньшим затуханием.

Конструкция оптического волокна изображена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Конструкция оптического волокна

Сердцевина и оболочка ОВ выполнены из кварцевого стекла SiO2. Для

того, чтобы наблюдалось явление полного внутреннего отражения

необходимо, чтобы выполнялись условие n1 > n2,

где n1 – показатель преломления сердцевины, n2 – показатель

преломления оболочки.

Для этого сердцевина ОВ может легироваться присадками,

повышающими показатель преломления: окись германия (GeO2), алюминия

(Al2O3), фосфорного ангидрида (P2O5), титана (TiO2), цезия (Cs2O) или

циркония (ZrO2).

Либо оболочка ОВ легируется фтором (F) или окисью бора (B2O3) для

понижения показателя преломления. Причем легируется только слой

определенной толщины, прилегающий к сердцевине.

При производстве телекоммуникационных волокон в основном

используется метод легирования сердцевины германием. При необходимости

обеспечения минимального затухания может применяться ОВ с чистой

кварцевой сердцевиной и оболочкой, легированной фтором.

Защитно-упрочняющее покрытие (ЗУП) выполняет функции защиты ОВ

от внешних механических воздействий и воздействия влаги. Основными

требованиями к ЗУП являются стабильность характеристик в широком

диапазоне рабочих температур, химическая и механическая совместимость с

кварцевой оболочкой и остальными материалами кабеля. ЗУП должно

обеспечивать стабильную адгезию в течении всего срока службы и в то же

время легко (с усилием порядка 1.3… 8.9 Н) механически удаляться при

помощи стриппера.

В качестве ЗУП в настоящее время широко используются акриловые

соединения: эпоксиакрилат и уретанакрилат. ЗУП накладывается на этапе

вытяжки ОВ из заготовки в два слоя, каждый из которых отверждается под

действием ультрафиолетового излучения. Первый слой обладает хорошей

адгезией с кварцевой оболочкой, имеет модуль упругости порядка 0.7 МПа и

выполняет функции защиты ОВ от внешних сжимающих усилий. Второй слой

имеет модуль упругости на три порядка выше и образует твердое наружное

покрытие, обеспечивающее механическую прочность ОВ и защиту от

действия влаги.

1.2 Физические основы передачи оптического излучения по

волоконным световодам

Существуют два наиболее известных классических подхода для

описания процессов распространения оптического излучения по волоконным

световодам: волновая и лучевая теории.

Согласно волновой теории, свет представляет собой электромагнитную

волну. В основе лучевой теории лежит представление света в виде потока

быстро движущихся корпускул (мелких частиц), которые излучаются

отдельными порциями (квантами) и формируют луч света. Подобный подход

позволяет использовать элементы геометрической оптики для описания

физических процессов в оптических волокнах.

Передача оптического излучения по световоду осуществляется за счет

свойства полного внутреннего отражения, которое обеспечивается

неравенством показателей преломления сердцевины и оболочки n1 > n2, при

этом среда с большим показателем преломления называется оптически более

плотной средой. На рисунке 2 изображено падение световой волны на границу

раздела двух сред.

Рисунок 2 – Падение световой волны на границу раздела двух сред

падающий

луч

отраженный

луч

преломленный

луч

В соответствии с законами геометрической оптики, при падении луча

света на границу раздела двух сред с показателями преломления n1 и n2 в

общем случае появляются преломленная и отраженная волны (рис. 1.2). Угол

падения 1 равен углу отражения 3, а углы падения 1 и преломления 2

связаны соотношением, известным как закон Снеллиуса [55, 56]:

При переходе светового луча из оптически более плотной среды в менее

плотную (n1 > n2) из (1.1) следует, что 2 > 1. По мере увеличения угла

падения со стороны оптически более плотной среды, можно достичь такого

состояния, когда преломленный луч начинает скользить вдоль границы

раздела сред без перехода в оптически менее плотную среду (рис. 1.3). Угол

падения, при котором наблюдается такой эффект, называется предельным

углом полного внутреннего отражения. На рисунке 3 изображено полное

внутреннее отражение.

Рисунок 3 – Полное внутреннее отражение

Для всех углов падения, которые превышают предельный, будет иметь

место только отражение, преломленная волна будет отсутствовать. Это

явление называется полным внутренним отражением. Условием отсутствия

преломленного луча является:

=90

падающий

луч

отраженный

луч

луч, преломленный

вдоль поверхности

Условие полного внутреннего отражения вытекает из закона Снеллиуса:

Угол падения, при котором выполняется условие полного внутреннего

отражения, называется критическим углом падения и определяется из

выражения:

При описании процесса ввода излучения в оптическое волокно

используется параметр- числовая апертура. Пусть луч 1 входит в сердцевину

ОВ, пересекая его ось под углом А, таким, что угол его падения на границу

раздела сердцевина-оболочка равен предельному углу полного внутреннего

отражения кр (рисунок 4). Угол А принято называть апертурным углом или

просто апертурой. Апертура – это угол между оптической осью и одной из

образующих светового конуса, попадающего в торец световода, при котором

выполняется условие полного внутреннего отражения. Для всех лучей,

пересекающих ось ОВ под углом больше апертуры (луч 2), угол падения на

границу раздела сердцевина-оболочка меньше предельного и условия полного

внутреннего отражения не выполняются. Таким образом, каждый раз при

падении луча на границу раздела имеет место преломление и часть

переносимой им энергии оптического излучения уходит в оболочку. Как

следствие, энергия достаточно быстро затухает. Поэтому такие лучи не могут

распространяться в ОВ.

На рисунке 4 изображено полное внутреннее отражение.

Рисунок 4 – Понятие апертуры оптических волокон

Для всех лучей пересекающих ось ОВ под углом в пределах апертуры

(луч 3), угол падения на границу раздела сердцевина-оболочка превышает

предельный и условия полного внутреннего отражения выполняются.

Следовательно, такие лучи могут распространяться в сердцевине ОВ на

большие расстояния.

При вращении вокруг оси ОВ луча, пересекающего ее под апертурным

углом, образуется конус. Очевидно, что все лежащие внутри этого конуса и

пересекающие ось ОВ лучи могут распространяться в ОВ, а лучи, лежащие вне

этого конуса, распространяться в ОВ не могут. Апертура характеризует

условия ввода и распространения оптического излучения в ОВ. Широко

используется понятие числовой апертуры:

где n0 – показатель преломления среды, из которой оптическое

излучение вводится в ОВ.

На сетях связи используются слабоапертурные волокна, у которых

показатели преломления отличаются незначительно – единицы процентов и

менее [48]. Например, у одномодового волокна Corning SMF 28e на длине

волны 1310 нм NA=0.14.

1.3 Типы волн, распространяющихся в оптических волокнах

Излучение внешнего источника, падающее на входной торец

волоконного световода, возбуждает в нем несколько типов волн, называемых

модами. Тип моды определяется сложностью структуры, т.е. числом

максимумов и минимумов поля в поперечном сечении. Различаются моды

направляемые, вытекающие и излучаемые [55, 56].

К направляемым относятся моды, которые распространяются вдоль

сердцевины волокна и обеспечивают передачу информации (лучи 1 и 2 на

рисунке 5). Направляемые моды возбуждаются теми лучами, которые падают

на торец волокна под углом, не превышающим апертурного А. В этом случае

энергия светового излучения концентрируется в сердцевине световода и

практически не излучается во вне.

Лучи, падающие на торец волокна под углами, существенно

превышающими А, достигают границы раздела сердцевина/оболочка и за

счет преломления в оболочку теряют часть энергии, испытывая при этом

большое затухание (луч 3 на рисунке 5) Эти моды называются вытекающими.

На рисунке 5 изображена классификация мод, распространяющихся в

оптических волокнах.

Рисунок – 5 Классификация мод, распространяющихся в оптических

волокнах

При падении лучей под углами, существенно превышающими

А, часть из них достигает внешней поверхности оболочки и излучается

в окружающее пространство (луч 4 на рисунке 5) Такие моды называются

излучаемыми. Излучаемые моды возникают также в местах неоднородностей

световодов. На рисунке 6 изображено влияние неоднородностей световода на

появление излучаемых мод.

Рисунок 6 – Влияние неоднородностей световода на появление

излучаемых мод

В общем случае в оптических волокнах на одной длине волны (частоте)

могут существовать несколько типов мод, которые отличаются структурой

электромагнитного поля и скоростью распространения [16, 55]:

Т-волны или поперечные электромагнитные волны не содержат

продольных составляющих электромагнитного поля

(Еz=0 и Нz=0);

Е или ТМ-волны – волны, не имеющие продольной составляющей

магнитного поля (Нz=0). Такие волны называются электрическими или

поперечно-магнитными, при этом вектор напряженности электрического поля

имеет и поперечную, и продольную составляющие;

H или TE-волны – для этих волн характерно отсутствие продольной

составляющей электрического поля. Данный тип волн

также называют магнитными волнами или поперечно-

электрическими;

царапина

грязь

LE-волны – это продольно-электрические волны, у которых в

поперечном сечении присутствует только одна составляющая электрического

поля;

LM-волны – продольно-магнитные волны, у которых в поперечном

сечении присутствует только одна составляющая магнитного поля;

Гибридные волны НЕ или ЕН – для этих волн характерно наличие всех

шести составляющих электромагнитного поля с преобладанием в поперечном

сечении той или иной составляющей: НЕ – магнитной, а ЕН – электрической,

соответственно.

1.4 Параметры передачи оптических волокон

Важнейшим параметром для каждой распространяющейся моды

является критическая частота или частота отсечки:

где k=2 / – волновое число;

– рабочая длина волны;

– постоянная распространения (коэффициент фазы); с – скорость

света.

Соответственно, длина волны отсечки определяется из следующего

выражения:

На частотах больше критической почти вся энергия поля моды

сосредоточена в сердцевине оптического волокна. На частотах меньше

частоты отсечки мода больше не распространяется по сердцевине световода, а

уходит в оболочку и рассеивается в окружающем пространстве. Иными

словами, направляемая мода преобразуется в вытекающую или излучаемую.

Постоянная распространения , частота отсечки fcutoff и распределение

электрической и магнитной составляющих поля моды в некотором сечении

волоконного световода могут быть найдены путем решения уравнения

Максвелла, записанных в цилиндрических координатах для диэлектрического

волновода круглого сечения. При этом достаточно часто удобнее оперировать

безразмерными параметрами мод, которые вводятся следующим образом. В

частности, параметру моды в сердцевине U соответствует следующая

формула:

Глубина проникновения поля моды в оболочку характеризуется

параметром моды в оболочке W:

Для направляемых мод эти параметры являются действительными

величинами. Они связаны с волноводным параметром V следующим

соотношением: V2 =U2 +W2.

Волноводный параметр V, который также называют нормированной

частотой, является одним из основных параметров оптического волновода. С

учетом эта величина равна: V =ka n12 -n22.

Нормированная частота фактически определяет режим работы ОВ. Так,

частота отсечки моды определяется через безразмерные параметры U и W из

уравнений вида:

При этом для малых радиусов сердцевины и малого разброса

показателей преломления сердцевины/оболочки, т.е. при малом значении

нормированной частоты, в световоде распространяется только одна мода –

гибридная мода НЕ11. Так, для круглых оптических волноводов одномодовый

режим имеет место при V<2,405.

Структура оптического волокна характеризуется профилем показателя

преломления. Профиль показателя преломления – это функция изменения

показателя преломления вдоль диаметра волоконного световода. Для круглого

оптического волновода эта зависимость описывается выражением вида:

где r – радиальная координата;

f(r) – функция профиля показателя преломления;

– параметр высоты профиля, который определяется следующим

образом:

На практике подавляющее большинство коммерческих оптических

волокон, выпускаемых на сегодняшний день промышленностью,

характеризуются малым (менее 1%) значением параметры высоты профиля.

Такие волокна являются слабонаправляющими, и для них, в предположении

n1n2, существенно упрощаются выражения для составляющих полей мод.

Подобное приближение приводит к возникновению более чем одной моды с

одинаковыми скоростями распространения и собственными значениями. Это

позволяет составить линейную комбинацию гибридных мод, которая имеет

линейную поляризацию и является преимущественно поперечной, и перейти

непосредственно к линейно-поляризованным модам LPlm. Каждая мода LPlm

обозначается двумя числовыми индексами l и m. Азимутальный порядок l

определяет число полных изменений поля по окружности световода (l=0; 1;

2…). В свою очередь, радиальный порядок m

– число вариаций поля по диаметру (m= 1; 2; 3…).

1.5 Основное уравнение передачи

Классический подход для расчета слабонаправляющих волоконных

световодов базируется на представлении продольных составляющих полей

линейно-поляризованных мод LPlm слабонаправляющего световода в

цилиндрических координатах в виде гармонических функций вида:

Учитывая, что граничные условия для волоконного световода обладают

осевой симметрией, переменные будут разделены:

и радиальная зависимость электрического или магнитного поля моды

Fl(r) является решением обыкновенного дифференциального уравнения вида

удобно искать, записав функцию профиля показателя преломления f(r) в

виде:

Однако общего аналитического решения волнового уравнения для всех

q не существует. Есть только два значения, допускающие точное решение:

q= и q=2. Первый случай q= соответствует волокнам со ступенчатым

профилем, а второй q=2 – волокнам с неограниченным параболическим

профилем показателя преломления, внешний вид которых представлен на

рисунке 7.

r r

Рисунок 7 – Ступенчатый профиль

1.6 Число мод, распространяющихся в оптических волокнах

Как уже было показано выше, в зависимости от условий

распространения световой волны в сердцевине оптические волокна делятся на

одномодовые (SM – Single Mode) и многомодовые (ММ – Multi Mode).

Диаметр сердцевины одномодовых оптических волокон составляет

6…10 мкм, соизмерим с длиной волны, что и обеспечивает условие отсечки

V<2,405, т.е. распространение только одной основной направляемой моды

LP01 (НЕ11).

У многомодовых оптических волокон диаметр сердцевины больше

длины волны оптической несущей, а нормированная частота V > 2,405. При

этом число распространяющихся мод LPlm может достигать нескольких тысяч

и для профилей, функция которых определяется по формуле:

Таким образом, для ступенчатого профиля (q=) формула приводится к

виду, изображенному на рисунке 9:

n(r)

Рисунок 9 – Распределение интенсивности полей мод

Следует отметить, что профиль показателя преломления,

характеризуемый функцией вида при 1<q< имеет сглаженный вид.

Оптические волокна со сглаженным профилем показателя преломления также

называются градиентными. В свою очередь, число мод, распространяющихся

в градиентных световодах значительно меньше, по сравнению со

ступенчатыми. В частности, указанная величина волокон с неограниченным

параболическим профилем (q=2) в два раза меньше, чем ступенчатых:

step

mode

(1.20)

В качестве примера на рисунке 9 представлены трехмерные поверхности

распределения, а также распределение интенсивности полей основной моды,

а также мод высших порядков.

1.7 Классификация многомодовых оптических волокон

В настоящее время различают две спецификации кварцевых

многомодовых оптических волокон по значениям диметр сердцевины/диаметр

оболочки: 50/125 и 62,5/125, регламентируемых рекомендацией

международного союза электросвязи (департамент телекоммуникаций) (МСЭ-

Т – ITU-T – International Telecommunication Union Telecommunications

department) G.651.

кварцевые многомодовые оптические волокна

(в настоящее время промышленностью практически не выпускаются)

Рисунок 10 – Геометрические параметры многомодовых оптических

волокон

В общем случае по профилю показателя преломления многомодовые

оптические волокна можно разделить на ступенчатые и градиентные.

В ступенчатых многомодовых оптических волокнах траектории лучей

отдельных мод имеют вид зигзагообразных линий (рисунок 11). Пути

следования лучей различны, и поэтому они приходят к концу линии со

сдвигом по времени, что приводит к искажению передаваемого сигнала,

известному как проявление межмодовой дисперсии.

Рисунок 11 – Распространение направляемых мод оптического

излучения в ступенчатых многомодовых волоконных световодах

В многомодовых световодах с градиентым профилем показателя

преломления траектории распространения большинства лучей представляют

собой плавные волнообразные кривые (рисунок 12), в результате чего моды

приходят на выход ВОЛП с меньшим разбросом по времени. Это достигается

путем неравномерного, например, по параболе, распределения значения

показателя преломления сердцевины.

Рисунок 12 – Распространение направляемых мод оптического

излучения в градиентных многомодовых волоконных световодах

Оптически более плотная среда соответствует центральной области

сердцевины, в то время как менее плотная – границе раздела

сердцевина/оболочка. В этом случае более «быстрые» моды

распространяющиеся ближе к центру сердцевины, благодаря градиенту

P(t)

импульс

на входе

импульс

на выходе

P(t)

импульс

на входе

импульс

на выходе

профиля, искусственно «притормаживаются», что позволяет существенно

уменьшить разброс по времени появления лучей на приемной стороне и

уменьшить проявление межмодовой дисперсии.

Очевидно, что градиентные многомодовые оптические волокна

характеризуются большей полосой пропускания, по сравнению со

ступенчатыми. Это также подтверждается формулой (1.19), из которой

следует, что наибольшее число мод распространяется именно в волоконных

световодах со ступенчатым профилем. Таким образом, в настоящее время

кварцевые многомодовые оптические волокна со ступенчатым профилем

показателя преломления промышленностью практически не выпускаются.

1.8 Многомодовые оптические волокна на современных сетях связи

На сегодняшний день применение многомодовых оптических волокон

наиболее эффективно на локальных сетях (LANs – Local Area Networks),

характеризующихся малой протяженностью (менее 1 км) и сравнительно

большими скоростями передачи данных. Для подобных приложений

сочетание многомодовых оптоэлектронных приемо-передающих модулей с

низким динамическим диапазоном на базе светоизлучающих диодов (СИД –

LEDs – Light Emitting Diodes), значительно более дешевых, по сравнению с

одномодовыми источниками оптического излучения (лазерными диодами (ЛД

– LD – Laser Diodes)), и, соответственно, многомодовых волокон позволяет

свести к минимуму суммарные затраты на строительство волоконно-

оптических линий передачи (ВОЛП). Указанные многомодовые ВОЛП

ведомственных LAN поддерживают известные сетевые протоколы, такие как:

Ethernet, Fast Ethernet, FDDI, 100VG-AnyLAN, Token Ring и др.,

обеспечивающие скорость передачи данных до 100 Мбит/с.

На транспортных сетях связи многомодовые оптические волокна

продолжают использоваться в основном в качестве межстанционных

соединительных линий ГТС, а также на местных и внутризоновых сетях,

протяженность которых достигает несколько десятков километров, в то время

как требования к скорости передачи существенно ниже, по сравнению с LAN.

На территории РФ первые ВОЛП транспортных сетей связи строились на

основе многомодовых волокон 50/125 и оптического кабеля (ОК)

отечественного производства. Данные ВОЛП обеспечивали передачу сигналов

многомодовых ОСП PDH также отечественного производства, таких, как

Сопка-2, Сопка-3, Сопка-Г, Соната, до уровня Е3 (34,368 Мбит/с)

включительно. В настоящее время перечисленные ОСП промышленностью не

выпускаются. Уже в начале 90-х на линиях большой протяженности

многомодовые оптические волокна активно вытесняются одномодовыми.

1.9 Одномодовые оптические волокна

В одномодовых оптических волокнах (SM ОВ) диаметр сердцевины

соизмерим с длиной волны, и за счет этого в нем существует только одна

основная направляемая мода LP01.

Рисунок 13 – Распространение основной моды LP01 в ступенчатых

одномодовых волоконных световодах

В соответствии с рекомендациями МСЭ-Т в настоящее время различают

шесть типов одномодовых оптических волокон (рисунок 14):

- волокна с нулевой дисперсией (стандартные волокна SSF) – рек

МСЭ-Т G.652;

- волокна со смещенной дисперсией (DSF) – рек. МСЭ-Т

G.653;

P(t)

импульс

на входе

импульс

на выходе

- волокна с минимизацией потерь на длине волны 1550 нм (Low

Loss) – рек. МСЭ-Т G.654;

- волокна с ненулевой смещенной дисперсией (NZDSF) – рек.

МСЭ-Т G.655;

- волокна с ненулевой смещенной дисперсией (NZDSF) для

широкополосных транспортных сетей – рек. МСЭ-Т G.656;

- волокна с пониженной восприимчивостью к изгибам для

оптических сетей доступа – рек. МСЭ-Т G.657.

кварцевые одномодовые оптические

волокна сердцевина 6…10 мкм оболочка 125

мкм

Рисунок 14 – типы одномодовых оптических волокон

Таблица 1.1

Изготовитель

Марка ОВ

Corning

SMF-28TM

SMF-28eTM

SMF-28e+TM

Alcatel

6900

6901

Fujikura

FutureGuide

Optical Fiber Solutions (OFS)

MC-SM 332

Allwave

Samsung Electronics

SF-SMF-x

Sumitomo Electric Industries Ltd.

SSF PureBandTM

Yangtze Optical Fibre and Cable

(YOFC)

268WY

Hitachi cable

SSF

Furukawa

SSF

Pirelli

SMR

Типовые значения основных параметров передачи волокон SSF

приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2

Длина волны

, нм

1310

1550

Коэффициент

затухания , дБ/км

менее 0,35

менее 0,22

Коэффициент

хроматической

дисперсии

D, пс/(нмкм)

не более 3,5

не более 17

Диаметр пятна моды,

W0, мкм

9,2 0,4

10,4 0,8

мкм

Длина волны нулевой

дисперсии, 0, нм

1302…1322

Наклон в точке

нулевой дисперсии,

S0, пс/(нм/км2)

0,092

На сегодняшний день существует четыре расширения рекомендаций

МСЭ-Т G.652, отличающиеся требованиям к ряду характеристик:

G.652.A. Характеристики оптического волокна, необходимые для

передачи потоков уровня до STM-16 в соответствии с G.957 и G.691, а также

10 Гбит/c на расстояние до 40 км (Ethernet) и STM-256 в некоторых

приложениях G.693. Коэффициент ПМД: PMDQ < 0.5 пс/ км (M=20, Q = 0.01

%) .

G.652.B. Характеристики оптического волокна, необходимые для

передачи потоков уровня до STM-64 в соответствии с

G.691 и G.692, STM-256 в некоторых приложениях G.693 и G.959.1. В

зависимости от области применения может потребоваться управление

хроматической дисперсией. Обладают пониженным значением коэффициента

ПМД: PMDQ < 0.2 пс/ км

(M=20, Q = 0.01 %).

G.652.C. Характеристики, аналогичные G.652.A, но дополнительно

позволяющие передачу в расширенном диапазоне от 1360 нм до 1530 нм (с

пониженным пиком затухания на гидроксильных группах). Коэффициент

ПМД: PMDQ < 0.5 пс/ км

(M=20, Q = 0.01 %) .

G.652.D. Характеристики, аналогичные G.652.B, но дополнительно

позволяющие передачу в расширенном диапазоне от 1360 нм до 1530 нм (с

пониженным пиком затухания на гидроксильных группах). Обладают

пониженным значением коэффициента ПМД: PMDQ < 0.2 пс/ км (M=20, Q =

0.01 %) .

В настоящее время ведущие мировые производители поставляют

оптические волокна, соответствующие рек. МСЭ-Т G.652.D. Подобные

волокна с низким уровнем поляризационной модовой дисперсии и широким

рабочим диапазоном используются как на магистральных ВОЛП с

высокоскоростными системами передачи и аппаратурой спектрального

уплотнения, так на городских сетях и оптических сетях доступа.

В 1985 г. был создан новый тип одномодовых оптических волокон –

волокон со смещенной дисперсией DSF (Dispersion Shifted Fibers) (рек. МСЭ-

Т G.653).

Длина волны нулевой дисперсией у волокон DSF смещена в область

третьего окна прозрачности ( =1550 нм), которому соответствует

минимальный коэффициент затухания. Смещение дисперсии достигается

путем формирования профиля показателя преломления специальной формы,

например, треугольной или W-образной треугольной (рис. 1.16).

Предполагалось, что сочетание низкой дисперсии, малого затухания,

возможности согласования с оптическими усилителями на базе волокон,

легированных эрбием EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifiers), сделает эти

оптические волокон идеальными для работы с одномодовыми ОСП в третьем

окне прозрачности на длине волны =1550 нм. Однако последующее изучение

нелинейных эффектов изменило эту точку зрения.

, %

r, мкм

Рис. 1.16. Профиль показателя преломления оптического волокна DSF

Triguide (Sumsung Electronics Industries Ltd)

Рынок волокон DSF составляют трансконтинентальные ВОЛП, в

которых одна длина волны передается на расстояние в несколько тысяч

километров, а также магистральные ВОЛП.

Волокна DSF идеальны для работы в третьем окне прозрачности на

одной оптической несущей.

Волокна с минимизацией потерь (Low Loss Fibers) на длине волны

=1550 нм (рек. МСЭ-Т G.654) являются модификацией волокон SSF с

уменьшенными потерями (менее 0,18 дБ/км) в третьем окне прозрачности.

Низкое затухание достигается за счет применения кварца сверхвысокой

степени очистки для сердцевины, что позволяет существенно снизить потери,

обусловленные поглощением на примесях, а также формирования больших

значений длины волны отсечки для уменьшения чувствительности к потерям,

обусловленным изгибами волокна. Условие полного внутреннего отражения

требует выполнения неравенства n1>n2, поэтому при изготовлении оболочки

используются такие легирующие добавки, как фтор, позволяющие уменьшить

значение показателя преломления, по сравнению с исходным,

соответствующим чистому кварцу.

В качестве примера, в табл. 1.3 приведены значения параметров

передачи волокон с минимизацией потерь на длине волны 1550 нм

производства компании Sumitomo Electric Industries.

Таблица 1.3.

Sumitomo Electric Industries Ltd.

дБ/км

D, пс/(нм.км)

Z-Fiber

0,170

18,5

Z-PLUS-Fiber

0,168

20,5

Из-за трудности производства эти волокна очень дороги и крайне редко

используются.

Основная область применения этого волокон Low Loss –

трансконтинентальные ВОЛП, где они обеспечивают возможность передачи

сигналов на огромные расстояния без установки активных элементов.

Волокна с ненулевой смещенной дисперсией NZDSF (Non Zero

Dispersion Shifted Fibers) – рек. МСЭ-Т G.655 – появились на рынке

телекоммуникаций в 1993 г. [38, 48].

Данный тип оптических волокон характеризуется минимальным и

максимальным значением хроматической дисперсии в спектральной области

третьего окна прозрачности: 0,1…6 пс/(нмкм) в диапазоне длин волн

1530…1565 нм для волокон категории G.655.A.

Управление дисперсией также осуществляется путем формирования

специальной W-образной формы профиля ОВ. Световоды с профилем

подобной формы также называют волокнами с двойной оболочкой (рис. 1.17).

Волокна NZDSF были специально разработаны для применения на

оптических сетях с последним поколением DWDM систем с оптическими

усилителями. Отрицательное значение хроматической дисперсии достаточно

велико, чтобы минимизировать нелинейный эффект четырехволнового

смешения, и достаточно мало, чтобы выделить для каждого оптического

канала скорость передачи в 10 Гбит/с на 250 км без установки компенсаторов

дисперсии и проведения других специальных мероприятий.

В таблице 1.4. представлены ведущие производители оптических

волокон NZDSF, а также их соответствующие торговые марки.

Рисунок 17 – W-образный профиль волокон NZDSF Corning :

(а) треугольный; (б) W-образный

Таблица 1.4.

Изготовитель

Марка ОВ

Corning

LEAF

MetroCorTM

Draka

TeraLightTM Metro

TeraLightTM Ultra

Fujikura

FutureGuide LA

FutureGuide ULA

Optical Fiber Solutions (OFS)

TrueWave RS

TrueWave

REACH

TrueWave SRS

TrueWave XL

UltraWaveTM

IDF/SLA

Sumitomo Electric Industries

Ltd.

PureMetroTM

PureGuideTM

Yangtze Optical Fibre and

Cable (YOFC)

LAPOSH

Подобные волокна предназначаются для использования на

протяженных ВОЛП и рекомендуются для использования при строительстве

новых линий. Кроме того, многие производители проектируют и

изготавливают ОВ, соответствующие G.655 и имеющие повышенную

эффективную площадь моды. Такие ОВ в основном предназначены для

использования на ВОЛП со спектральным уплотнением и мощными

оптическими усилителями. Например, Сorning LEAF, Corning Vascade,

Fujikura FutureGuide LA, Fujikura FutureGuide ULA и пр.

В настоящее время существует пять расширений рек. МСЭТ G.655,

отличающиеся в первую очередь требованиями к диапазону длин волн, в

котором должна обеспечиваться ненулевая хроматическая дисперсия, и

значениями коэффициента хроматической дисперсии на границах диапазона.

G.655.A. Рекомендуемые характеристики для использования в

приложениях G.691, G.692, G.693 и G.959.1. Для приложения G.692, в

зависимости от длины волны канала и характеристики дисперсии,

максимальная суммарная мощность в ОВ должна быть ограничена и

минимальное расстояние между каналами ограничивается 200 ГГц.

Спецификация для дисперсии записывается в виде:

0.1 пс/нм·км ≤ Dmin ≤ Dmax ≤ 6.0 пс/нм·км

1530 нм ≤ λmin ≤ λmax ≤ 1565 нм

Dmax Dmin + 5.0 пс/нм·км

Следует отметить, что знак хроматической дисперсии в заданном

диапазоне может быть как положительным, так и отрицательным.

Коэффициент поляризационной модовой дисперсии <0.5 пс/√км.

G.655.B. Рекомендуемые характеристики для использования в

приложениях G.691, G.692, G.693 и G.959.1. Для приложения G.692, в

зависимости от длины волны канала и характеристики дисперсии,

максимальная суммарная мощность в ОВ может быть выше, чем в G.655.A, и

типичное минимальное расстояние между каналами 100 ГГц и меньше.

Требования к коэффициенту ПМД позволяет работу систем STM-64 на

расстояние не менее 400 км.

Спецификация для дисперсии записывается в виде:

1 пс/нм·км ≤ Dmin ≤ Dmax ≤ 10.0 пс/нм·км

1530 нм ≤ λmin ≤ λmax ≤ 1565 нм

Dmax Dmin + 5.0 пс/нм·км

Коэффициент поляризационной модовой дисперсии <0.5 пс/√км.

G.655.С. Рекомендуемые характеристики, аналогичные G.655.B, но с

более жесткими требованиями к коэффициенту ПМД, позволяющими работу

системам STM-64 на расстояния свыше 400 км и STM-256 в соответствии с

G.959.1. Коэффициент поляризационной модовой дисперсии составляет <0.2

пс/√км. Данная спецификация поддерживает рекомендации об оптических

интерфейсах рек. МСЭ-Т G.691, G.959.1 и G.693. Для систем DWDM

поддерживаются интервалы между каналами, определенные в Рекомендации

МСЭ-Т G.694.1.

Максимальные потери на макроизгибах радиуса 30 мм при числе витков

100 на длине волны 1625 нм составляют 0,5 дБ.

G.655.D. В данной рекомендации определены требования к

коэффициенту хроматической дисперсии в виде двух кривых,

ограничивающих пределы изменения дисперсии в диапазоне от 1460 нм до

1625 нм. Для длин волн свыше 1530 нм дисперсия должна быть

положительной и достаточной для подавления большинства нелинейных

искажений. Длина волны нулевой дисперсии лежит на длине волны менее 1530

нм, но волокно может быть использовано в системах “грубого” спектрального

уплотнения (CDWM) при использовании каналов на рабочей длине волны

1471 нм и выше.

G.655.E. В данном расширении рекомендации требования к

спектральной зависимости коэффициента хроматической дисперсии также

представлены в виде двух граничных кривых, но уровень дисперсии должен

быть выше, что может быть важным для систем с малым разносом оптических

каналов. Волокна, соответствующие данной рекомендации обладают

положительной ненулевой дисперсией на длинах волн свыше 1460 нм. Данный

тип ОВ может использоваться для протяженных подводных ВОЛП.

Подробные спецификации изложены в разделе 1.5.7.

Следует отметить, что для ОВ рек. G.655.Е и D ужесточены нормы на

потери на изгибах: максимальные потери на макроизгибе радиуса 30 мм при

числе витков 100 на длине волны 1625 нм составляют 0,10 дБ.

Оптические волокна со смещенной дисперсией, соответствующие

рекомендации МСЭ-Т G.656, предназначены для работы совместно с

широкополосными системами “грубого“ (Coarse Wavelength Division

Multiplexing – CWDM) и “плотного” (Dense Wavelength Division Multiplexing

– DWDM) спектрального уплотнения.

Первая редакция Рекомендации ITU-T была одобрена 13 июня 2004 года

и действует до настоящего времени.

Отличительной особенностью таких ОВ являются особые требования к

параметрам хроматической дисперсии. Во-первых, в рабочем диапазоне

дисперсия должна иметь положительный знак, и, во-вторых, в диапазоне длин

волн 1460 -1625 нм значение коэффициента хроматической дисперсии должно

лежать в пределах

2 пс/(нм·км) ≤ Dmin ≤ Dmax ≤ 14 пс/(нм·км).

Отличительной особенностью Рек. G.656 по сравнению с рек. G.655

является также обязательная спецификация положительного знака

хроматической дисперсии во всем рабочем диапазоне – точка нулевой

дисперсии должна находиться за пределами рабочего диапазона. Подробные

спецификации на коэффициент хроматической дисперсии приведены в

разделе 1.5.7. Подобные ОВ специально спроектированы для строительства

новых ВОЛП со спектральным уплотнением в широком диапазоне длин волн.

В отличие от широко применяемых в настоящее время одномодовых ОВ

(рек G.652 и G.655) волокно, соответствующее новой Рек. G.656, позволяет

волоконно-оптической сети работать в более широком диапазоне длин волн с

использованием DWDM, обеспечивая совместимость интерфейсов

физического уровня в соответствии с рек. G.693, G.959.1 и G.694.1. Этот же

тип волокна может использоваться и в системах CWDM в соответствии с Рек.

G.695 и G.694.2 особенно при низком коэффициенте затухания в области

гидроксильного пика вблизи длины волны 1383 нм.

Тот факт, что расположение точки нулевой хроматической дисперсии

соответствует выражению λ0 < 1460 нм, позволяет эффективно использовать

рамановские усилители. В таких ОВ, взаимодействие между источниками

накачки, а также между источником накачки и сигналом, вследствие

нелинейного эффекта четырех-волнового смешения значительно снижено.

Максимальные потери на макроизгибе радиуса 30 мм при числе витков

100 на длине волны 1625 нм составляют 0,50 дБ.

Примеры промышленных ОВ, удовлетворяющих рек.G.656: Draka

TeraLight, Draka TeraLight Ultra, OFS Truewave REACH.

Затухание характеризует потери оптической мощности при

распространении оптических сигналов в волокне.

На рисунке 18 представлена эволюция спектральной характеристики

коэффициента затухания оптических волокон.

На характеристиках, соответствующих 1975...1980 гг. четко

просматривается резкое уменьшение затухания на длинах волн, лежащих в

области трех окон прозрачности (850 нм, 1300 нм и 1550 нм). Технология

производства оптических волокон совершенствуется, и к 1990 г. наблюдается

сглаживание характеристики, по сравнению с более ранним периодом, а также

яркого проявления пика поглощения на примесях ОН с максимумом при =

1380 нм.

На рисунке 19 приведена спектральная характеристика коэффициента

затухания типовых кварцевых одномодовых оптических волокон.

Данная характеристика имеет три ярко выраженных особенности:

- общая тенденция уменьшения коэффициента затухания с увеличением

длины волны, пропорционально 1/4, что обусловлено потерями за счет

Рэлеевского рассеяния;

- увеличение затухания в области спектра выше 1,6 мкм, вызванное

потерями на изгиб и инфракрасным поглощением кварца;

- локальные максимумы, связанные с гармониками резонанса поглощения

примесей гидроксогруппы ОН–.

Рисунок 18 - Эволюция спектральной зависимости собственных потерь

, дБ/км

Рисунок 19 - Типовая спектральная характеристика коэффициента

затухания стандартного кварцевого одномодового оптического волокна.

Как видно из представленной на рисунке 19 спектральной

характеристики для передачи оптических сигналов может использоваться

достаточно широкий участок спектра, соответствующий сравнительно малым

значениям . Его принято разбивать на более узкие участки – рабочие

диапазоны, или окна прозрачности.

Первоначально основным фактором потерь в ОВ являлась

несовершенная технология очистки кварца, поэтому под окнами прозрачности

понимались области длин волн вблизи узких локальных минимумов в

, дБ/км

, нм

ультрафиолетовое

поглощение

Рэлеевское

рассеяние

инфракрасное

поглощение

«водяные»

пики (

–

)

е окно

зависимости потерь от длины волны: 850 нм (первое), 1310 нм (второе). 1550

нм (третье).

Так, многомодовые оптические волокна предназначены для совместной

работы ОСП в первом и втором окнах прозрачности.

В свою очередь, одномодовые оптические волокна также предназначены

для передачи сигналов одномодовых ОСП, функционирующих во втором окне

прозрачности, при этом коэффициент затухания волокон составляет

0,35…0,40 дБ/км. Однако самое низкое затухание – около 0,20 дБ –

достигается в третьем окне прозрачности в области 1550 нм. Таким образом,

исторически одномодовому режиму соответствуют второе и третье окна

прозрачности.

С развитием технологии очистки кварца стала доступна вся область

низких потерь от 1260 нм до 1675 нм. Кривая потерь выглядит гладкой (рис.

1.19), и локальные минимумы на ней слабо выражены.

В настоящее время, согласно рекомендациям МСЭ-Т, выделяют 6

спектральных диапазонов для одномодовых ОВ (таблица 1.5).

Таблица 1.5.

Original (основной)

1260…1360

нм

Extended (расширенный)

1360…1460

нм

Short wavelength

(коротковолновый)

1460…1530

нм

Conventional

(стандартный)

1530…1565

нм

Long wavelength

(длинноволновый)

1565…1625

нм

Ultra-long wavelength

(сверхдлинный)

1625…1675

нм

Современные оптические сети, использующие технологии DWDM,

активно используют диапазон C. Также в коммерческих системах

спектрального уплотнения активно задействован длинноволновый диапазон

(L-band). Намечается использование пятого окна – диапазон S.

Для работы систем “грубого” спектрального уплотнения CWDM,

согласно рек. G.694.2, могут быть использованы длины волн от 1271 нм до

1611 нм.

В результате в диапазоне длин волн 1260…1650 мкм обеспечивается

полоса пропускания не менее 50 ТГц.

В общем случае, потери в оптических волокнах складываются из

собственных потерь в волоконных световодах с и дополнительных потерь,

т.н. кабельных к, обусловленных скруткой, а также деформацией и изгибами

световодов при наложении покрытий и защитных оболочек в процессе

изготовления оптического кабеля (рисунок 20).

Микроизгиб

Пузырек Частица

Рисунок 20 – Некоторые составляющие затухания оптических волокон

Собственные потери оптических волокон состоят из потерь поглощения

п и потерь рассеяния р, а также потерь на поглощение, обусловленных

присутствующими в световодах примесями пр и потерь на поглощение в

инфракрасной области.

2. Итоги

Использование волоконно-оптических кабелей связи (ВОКС) имеет огромную

важность в современных сетях связи. Вот несколько ключевых преимуществ,

которые обуславливают их значимость:

1. Высокая пропускная способность: ВОКС обеспечивают значительно

большую пропускную способность по сравнению с традиционными

медными кабелями. Он способен передавать огромные объемы данных

со скоростью света. Это особенно полезно для сетей с высокими

требованиями к скорости передачи данных, таких как интернет-

провайдеры, центры обработки данных и телекоммуникационные

компании.

2. Большая дальность передачи: ВОКС обладают способностью

передавать сигналы на значительные расстояния без потери качества.

Они позволяют построение сетей связи на большие расстояния, что

особенно важно для трансокеанских и межконтинентальных

соединений.

3. Меньшие потери сигнала: Оптоволокно имеет очень низкие потери

сигнала по сравнению с медью. Это позволяет передавать сигналы на

большие расстояния без существенной деградации качества. Более

низкие потери сигнала также означают, что можно использовать более

компактные усилители сигнала на регенерацию и усиление сигнала при

необходимости.

4. Высокий уровень безопасности: ВОКС предлагают повышенную

безопасность передачи данных. Оптический сигнал не создает

электромагнитного излучения и невозможно несанкционированно

подслушивать сигналы, так как они не излучаются и не проникают через

внешнюю оболочку кабеля.

5. Устойчивость к внешним помехам: ВОКС являются устойчивыми к

электромагнитным помехам, помехам от соседних кабелей и влиянию

возникающих полей. Это делает их особенно полезными в средах с

большим количеством электромагнитных помех, таких как районы с

большой плотностью электронных устройств или проходящими рядом

силовыми линиями.

Все эти преимущества волоконно-оптических кабелей связи делают их

основным выбором для высокоскоростных сетей связи, где требуется высокая

пропускная способность, дальность передачи и надежность.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ТЕСТОВОЙ ПРОГРАММЫ.

1.1. Структурная схема:

1.2. Функциональная схема:

Рисунок 1 – Функциональная схема

1.3. SDT-диаграмма:

Рисунок 2 - SDT-диаграмма

1.4. DFD-диаграмма:

Рисунок 3 – DFD-диаграмма

1.5. Диаграммы вариантов использования. Текстовые сценарии:

Рисунок 4 – Диаграмма вариантов использования